1、冰蓄冷研究的現(xiàn)狀與展望清華大學(xué) 張寅平* 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 邱國佺*Present state and perspectives of ice cool storage researchBy Zhang Yinping and Qiu Guoquan提要對冰蓄冷技術(shù)的研究和開發(fā)現(xiàn)狀作了綜述，討論了其中尚未解決的一些問題及技術(shù)難點，展望了近期冰蓄冷研究和開發(fā)的走向。關(guān)鍵詞冰蓄冷 空調(diào) 換熱 AbstractReviews the current status of research and development of ice cool storage technology. Describes

2、 and discusses some technical problems and new key technologies, presents possible development of ice cool storage in the near future.Keywordsice cool storage， air-conditioning， heat exchange1 引言世界上很多國家都在想方設(shè)法降低電網(wǎng)負荷的峰谷差，而空調(diào)電耗對電網(wǎng)負荷有很大的影響，因此，低能耗、可用電網(wǎng)低谷電的空調(diào)設(shè)備及相應(yīng)的蓄冷技術(shù)和系統(tǒng)的研究開發(fā)就成了近年來空調(diào)、儲能領(lǐng)域的國際性熱門課題，其中，尤以冰蓄

3、冷空調(diào)的研究和應(yīng)用受到研究者重視。這方面，美國、日本等發(fā)達國家的研究和應(yīng)用水平較高。本文基于對日本在該領(lǐng)域研究狀況的分析，對冰蓄冷研究的現(xiàn)狀和今后的研究方向作一簡單的介紹，希望對我國正在崛起的蓄冷空調(diào)的研究和開發(fā)有所幫助。2 蓄冷空調(diào)的研究和開發(fā)現(xiàn)狀21 制冰方法的分類和評述與水蓄冷相比，冰蓄冷系統(tǒng)的優(yōu)點是：蓄冷密度高，使蓄冷槽體積較??；溫度穩(wěn)定，便于控制；熱設(shè)計的靈活性強。冰蓄冷中的制冰方式主要有兩種：靜態(tài)制冰方式，即在冷卻管外或盛冰容器內(nèi)結(jié)冰，冰本身始終處于相對靜止狀態(tài)；動態(tài)制冰方式，該方式中有冰晶、冰漿（ice slurry）生成，且冰晶、冰漿處于運動狀態(tài)。靜態(tài)制冰由于系統(tǒng)簡單，現(xiàn)已成為

4、應(yīng)用中冰蓄冷系統(tǒng)的主流。然而，靜態(tài)制冰法也有自身的缺點：冰層的增厚使熱阻增大，導(dǎo)致冷凍機的性能系數(shù)（COP）降低；一些靜態(tài)系統(tǒng)中冰塊的相互粘連導(dǎo)致水路堵塞。目前，冰蓄冷研究的主要目標為動態(tài)制冰技術(shù)。動態(tài)制冰方式約有40多種，其中冰水混合漿（即含有很多懸浮冰晶的不，英文名為ice slurry）技術(shù)最受研究者關(guān)注。冰水混合漿可采用管道輸運，其換熱需采用換熱器。雖然這種動態(tài)制冰方式很有前途，但迄今尚未商業(yè)化。該系統(tǒng)的性能測試和優(yōu)化、管理技術(shù)和經(jīng)濟性還需進一步完善。表1對現(xiàn)有制冰法進行了分類。 種類說明靜態(tài)制冰法管外制冰（ice on tube）制冰方式：傳熱流體通過管簇，管簇內(nèi)通冷媒冷卻方式：冷媒

5、直接膨脹管內(nèi)制冷（ice in tube）制冰方式：流體通過管外，管內(nèi)結(jié)冰冷卻方式：冷媒直接膨脹或鹽水循環(huán)冷卻密閉容器制冰式容器形狀：球形，圓柱形，平板形冷卻方式：鹽水循環(huán)冷卻動態(tài)制冰法間接換熱法收獲（harvest）制冰法制冰式：水或水溶液從冷卻表面（圓柱內(nèi)表面或外表面、豎板表面流下）除冰法；機械剝離法或熱融解剝離法冷卻方式：冷媒直接膨脹或鹽水循環(huán)冷卻液態(tài)水制冰制冰法：水溶液從冷卻面自然流下冷媒蒸發(fā)器內(nèi)水溶液的離心流動水溶液的管內(nèi)強制流動冷卻方式：冷媒直接膨脹或鹽水循環(huán)過冷卻制冰制冰法：流動水和水溶液通過換熱器換熱冷卻方式：冷媒直接膨脹或鹽水循環(huán)冷卻直接換熱法冰晶制冰法制冰法：由低沸點冷媒在

6、水中蒸發(fā)產(chǎn)生冰晶或與水不相溶的低溫高密度液體在水層邊噴射而獲得顯熱利用，從而制冰冷卻方式：冷媒直接膨脹或鹽水循環(huán)冷卻其它制冰（冰）法制冰法：由真空狀態(tài)下的水蒸發(fā)，導(dǎo)致高分子物質(zhì)-水溶液相變冷卻方式：水的直接蒸發(fā)冷卻干燥冰晶制備法制冰法：冷媒蒸氣和噴射水霧直接接觸而產(chǎn)生冰晶或由空氣的絕熱膨脹而產(chǎn)生的低溫空氣和噴射水霧直接接觸生成冰晶22 制冰技術(shù)221 制冰技術(shù)的現(xiàn)狀冰蓄冷技術(shù)中制冰是關(guān)鍵，各類制冰法如表1所示。圖14為幾種制冰方法的示意圖。圖1 流動過冷卻水制冰法圖2 冷媒（戊烷）蒸發(fā)制冰法圖3 低沸點冷媒蒸發(fā)制冰法 圖4 低溫液態(tài)冷媒顯熱換熱制冰法 22 制冰技術(shù)課題關(guān)于制冰法中的技術(shù)問題，

7、下面列舉的研究開發(fā)課題是很有意義的：（1）客觀地評價各種制冰法，統(tǒng)一制冰效率的含義；（2）確立各種制冰法充填率（IPF，即ice packing factor）的合適算法；（3）研究靜態(tài)制冷法高IPF情況下避免冰層相互粘連的辦法；（4）研究管內(nèi)制冰法高IPF情況下防止冰堵塞的方法；（5）圖5所示的制冰方式中，如何使水滴下時形成厚度均勻的冰層；（6）對密閉容器內(nèi)的制冰方式，增加密閉容器材料的導(dǎo)熱性能、防止相變材料的過冷和分層、防止冰生長時容器內(nèi)空氣壓力增大導(dǎo)致容器破裂；（7）對收獲（harvest）型制冰，尋找新型冰層剝離法和減少剝離能耗以及延長機械冰剝離器壽命和降低剝離噪聲；（8）對圖6所示的

8、冰水懸浮液制冰法，如何有效增加IPF和防止管內(nèi)壁冰層附著造成流道冰堵塞；圖5 下降液膜制冰法 圖6 管內(nèi)水溶液下降膜制冰法 （9）對圖1所示的過冷水制冰系統(tǒng)，如何避免過冷水在換熱器壁上凍結(jié)形成的阻塞；（10）對片狀冰晶制冰法，如何提高其IPF及如何提高低溫冷媒和水的換熱效率；（11）高分子化合物（作為儲冷相變材料）-水的流動性能及其改善的研究，它們的穩(wěn)定性及其改善的研究；（12）對采用籠形化合物（Clathrate）-水的儲冷系統(tǒng)，研配不污染環(huán)境的籠形化合物；（13）對噴射水霧型冰晶產(chǎn)生系統(tǒng)，如何防止冰片間的粘合及如何提高冷媒蒸氣和水霧的高效接觸和換熱。23 蓄冰和取冰技術(shù)231 蓄冰槽蓄冰槽

9、的容量若蓄冰槽兼作冬天的熱水蓄熱槽，則蓄冰槽的體積需比僅考慮夏天蓄冷用的要大。一般，蓄冰槽體積按蓄冷量能滿足冷氣設(shè)備負荷的50%設(shè)計，這樣，它在冬天作為熱水蓄熱槽的功能也可得以發(fā)揮。蓄冰槽的形狀蓄冰槽一般是立方體形或圓筒形。長寬比關(guān)系到充、釋冷速率和蓄冰效率。要優(yōu)化蓄冰槽內(nèi)的換熱，必須考慮蓄冰槽（或盛裝相變材料的容器）的形狀；蓄冰槽的設(shè)置位置和所用的冷媒?jīng)Q定了應(yīng)采用開放型還是密閉型蓄冰槽。蓄冰槽的隔熱蓄冰槽隔熱材料需作防水處理，特別是纖維系列的隔熱材料，吸水后凍結(jié)，隔熱性能大為下降。232 蓄冰槽放冷技術(shù)動態(tài)制冰法中冰的分散和輸送動態(tài)制冰法中冰塊在水溶液中處于分散狀態(tài)，因此需在蓄冰槽內(nèi)設(shè)置泵，

10、強制冰-水循環(huán)形成。在蓄冰槽的冰水混合漿取出口，安有噴嘴。此外，為防止冰塊進入輸送管，在輸送管口，需安置金屬網(wǎng)。冰漿取出機旋轉(zhuǎn)翼型：旋轉(zhuǎn)翼把蓄冰槽內(nèi)的冰水混合漿送進輸送管。螺桿（screw）型：如圖7所示，憑借蓄冰槽內(nèi)的噴射泵噴射水的力量，使冰水混合將流入配管。 圖7 螺桿（screw）型冰漿輸送法球閥型：如圖8所示，憑借蓄冰槽下部的泵，使冰漿流入配管。 圖8 球閥型冰漿輸送法冰充填率（IPE）控制器為調(diào)整冰水混合漿的冰充填率（IPF），圖9所示的管壁上，有一些孔穴，可將部分水排到管外，達到調(diào)整IPF的目的。此外，在冰水混合將流動方向上，可設(shè)置分流管，將水排出，達到增加IPF的目的。 圖9 冰

11、充填率（IPF）控制器233 蓄冰和取冰技術(shù)展望為使蓄冰槽內(nèi)的冰可長期儲存，有必要研究防止冰塊粘連的技術(shù)和取冰技術(shù)。若這些技術(shù)有所突破，則動態(tài)制冰技術(shù)將獲得實質(zhì)性發(fā)展。最近，下列技術(shù)得以實現(xiàn)或正在研究：利用冰的輸送管實現(xiàn)小型蓄冰槽的二次利用，低溫能量的分散儲存，冰輸送管兼作蓄冰槽。24 冰輸運技術(shù)冰水混合漿的輸送技術(shù)，關(guān)系到動態(tài)制冰技術(shù)的普及。采用此技術(shù)輸送冷量，與用冷水管輸送相比，可大幅度縮小輸送管的直徑，降低配管投資。例如，與給水溫度為7、回水溫度為12的冷水輸送情況比，輸送IPF為15%冰漿，其配管管徑約可減小一半。241 細微冰漿的管內(nèi)液體輸送的現(xiàn)狀和課題冰漿在管內(nèi)輸送的流動狀態(tài)和壓力

12、損失對IPF對20%以下、粒徑1mm以下的細微冰粒，大致的管內(nèi)流動情況和壓力損失關(guān)系見圖10。其中各種冰漿流動情況說明如下： 圖10 冰漿在管內(nèi)輸送的流動狀態(tài)和壓力損失示意圖（a）浮冰/冷水雙層流 管內(nèi)流速0.5m/s，部分冰粒子停留在管子上部，其下部有冷水流動，形成雙層流。與純水的情況相比，此類流動壓力損失較大。（b）冰粒子的飄浮流動 管內(nèi)流速0.5m/s，滯留在管子上部的冰粒子群向下部的水流層擴散，其壓力損失和流速的關(guān)系見圖10。（c）冰粒子的擴散剝離流動 管內(nèi)流速1m/s，冰粒子分布范圍擴大到管內(nèi)整個橫斷面，但上總后冰粒子密度仍較大，流動壓力損失曲線和水的相應(yīng)曲線已較接近。（d）冰粒子的

13、均質(zhì)流動 管內(nèi)流速2m/s，冰粒子在管內(nèi)形成均勻分散的均質(zhì)流動。其流動壓力損失曲線和水的相應(yīng)曲線很接近。若增大IPF，冰粒子會向管中央集中，與管壁的水流形成二層流，降低了流動阻力。流動壓力損失曲線和水的相應(yīng)曲線較接近。這里，管內(nèi)流動壓力損失隨IPF的增大而增大，對應(yīng)于壓力損失最小值的臨界流速也增大。如何減小管內(nèi)流動阻力是今后需研究的課題。冰塊的管內(nèi)阻塞現(xiàn)象冰塊的管內(nèi)阻塞現(xiàn)象是冰漿在管內(nèi)輸送的最大問題，目前，采取的防止方法有：增大管徑，增大彎管的曲率和使用可撓管：為防止流量變動而采用定流量的泵；為防止冰在管內(nèi)滯留而采用高速管流，以確保冰漿在管內(nèi)的均質(zhì)流動等。此外，更積極的辦法是，采用定形相變材料

14、顆粒，這類相變材料顆粒外部覆有一層膜，防止相變材料顆粒間的粘連；可采用乙二醇溶液作為傳熱液體。采用大直徑冰粒子和小直徑冰粒子的混合以增大管道輸送的載熱能力如圖11所示，直徑為幾cm的大粒子群和直徑為1mm以下的小粒子混合，流動阻力小的小冰粒子在管壁附近流動，大的冰粒子在管道中央流動，出現(xiàn)了分球現(xiàn)象。這樣，在不增加流動阻力的情況下，增大了IPF，從而增大了載熱能力。 圖11 大、小直徑冰粒子的混合對壓力損失和IPF的影響示意圖冰漿在彎曲管、旁路管和閥門周圍的流動狀態(tài)和壓力損失這方面的研究很少，至今仍只有定性研究結(jié)果，如：（a）垂直配管與水平配管相比，管內(nèi)冰的浮力影響增大，管內(nèi)流動壓力損失較水小。

15、(b)對90彎管而言，冰漿的壓力損失和水的接近或稍大。(c)分流管中冰漿的流動損失增大，且彎曲度增大，流動損失增大。(d)閥門部分（特別是喉道部分）易形成冰塊阻塞。輸送配管可采用往返雙管方式或循環(huán)單管方式。242 冰粒子空氣輸送的現(xiàn)狀和課題冰粒子可用空氣輸送。對口徑為100200mm的配管，需要的風(fēng)速為1530m/s。若用風(fēng)速為510 m/s的空氣輸送冰粒子，多數(shù)冰粒子以活塞（piston）狀態(tài)流動，對該狀態(tài)，有冰堵塞管道的危險。若冰與空氣的體積比5%，用空氣輸送冰耗能較少。作為短距離的冰輸送技術(shù)，高速空氣運送是有趣的課題。25 融冰技術(shù)的現(xiàn)狀和展望251 利用蓄冰槽內(nèi)的換熱器進行換熱，換熱器

16、一般采用管式。252 冰和回流冷媒（水、鹽水、空氣）的直接接觸換熱由靜態(tài)制冰法制成的冰和回流冷媒（水、鹽水、空氣）的直接接觸換熱蓄冰槽內(nèi)的冷卻管外形成冰層，回流冷媒被用來的冰層外強迫循環(huán)，靠對流換熱融解冰層。這種外融式方法中，冰層周圍有均一流動的回流冷媒是很重要的，這要求安裝好冷媒液的均流板和分流管。此外，為增加傳熱，在蓄冰槽內(nèi)吹空氣光，也是行之有效的辦法。冰漿和回流液冷媒直接接觸換熱由動態(tài)制冰法獲得的蓄冰槽內(nèi)的冰漿分布在回流液冷媒中，因此，冷媒的溫度較低，據(jù)報道，這種方法隨負荷變化有很好的調(diào)節(jié)性能。253 利用冰漿和回流暖空氣間接接觸換熱同心套管式換熱器，一側(cè)流冰漿，另一側(cè)流暖空氣。換熱過程

17、中，冰粒子邊流動，邊融解。冰粒子的融解速度是重要的釋冷參數(shù)，這種方式與單管輸送冰漿相比，IPF可有所增大（5%10%），因為，這種情況下，冰層不易堵塞。但需注意回流空氣冷卻后的冷凝水處理問題。254 利用冰漿和回流暖空氣直接接觸換熱如圖12所示，可利用冰漿和回流暖空氣直接接觸換熱。 圖12 冰漿和回流暖空氣直接接觸換熱示意圖255 取冷技術(shù)的未來取冷技術(shù)的首要課題是研究無殘存冰的融冰方法。目前，人們對冰漿技術(shù)較為關(guān)注。多數(shù)取冷法尚處于研究開發(fā)階段，今后這方面的研究和開發(fā)將會很活躍。26 蓄冰槽IPF的測定法261 蓄冰槽IPF的測定法利用冰的體積膨脹造成的水位變化測定IPF：對靜態(tài)制冰法，測量

18、水位可測定蓄冰槽的IPF。利用檢測冰厚來測定：利用冰厚測試針測定冰厚，然后算出IPF；或利用制冰配管水中的電極的電位差，測定冰厚。利用測定溫差來測定IPF：測定蓄冰槽內(nèi)水和水溶液與冷卻管內(nèi)的冷媒間的溫差可推算出IPF。利用熱流計測定IPF：利用熱流計，測定輸入、輸出的熱量差值，可推算出IPF。262 輸運管內(nèi)流動冰漿的IPF的測定導(dǎo)電率測定法冰漿中，導(dǎo)電率隨冰/水比例的增大而減小，利用此現(xiàn)象，在電極間加高頻交流電，讓電流流過冰漿，測定其導(dǎo)電率，從而測定出IPF。利用設(shè)置在管內(nèi)的旋轉(zhuǎn)扭矩計測定IPF。在管內(nèi)安裝環(huán)狀旋轉(zhuǎn)扭矩計，由其旋轉(zhuǎn)扭矩和IPF的關(guān)系求得IPF。利用冰水的靜電量來測定IPF：兩

19、相對電極的靜電量與其間冰漿中的含冰量有一定關(guān)系，由此，可測定其IPF。測定垂直管內(nèi)流動冰漿的壓力損失，定出IPF：垂直管內(nèi)的冰和水有密度差，影響管內(nèi)流動壓力差，由此，可測定流動冰漿的IPF。測定冰漿的溫度來推算IPF。抽出冰漿，可用多種方法來測定IPF。3 冰蓄冷研究展望有人認為各種冰蓄冷系統(tǒng)的出現(xiàn)將會帶來空調(diào)系統(tǒng)的革命，這是有一定理由的。蓄冷系統(tǒng)未來的研究課題有以下方面：31 由于冰蓄冷系統(tǒng)種類繁多，有必要建立客觀的綜合評價體系。32 冰的管道運輸中最大的問題是如何防止冰的管道堵塞。利用化學(xué)方法如加入界面活性劑等防止冰結(jié)塊是值得研究的方法。此外，IPF和流速與輸送距離間的關(guān)系及其優(yōu)化、所用的

20、換熱器的研制和開發(fā)也是重要的課題。33 發(fā)展在線的、非接觸式的IPF測定法，開發(fā)廉價但精度較高的探頭。34 從綜合角度出發(fā)構(gòu)筑有關(guān)的冰蓄冷系統(tǒng)化技術(shù)（包括冰蓄冷系統(tǒng)中，高COP熱泵的研制和開發(fā)；考慮到環(huán)保問題的蒸氣壓縮式熱源機器和廢熱利用吸收式或吸附式熱源機器和復(fù)合型熱泵的開發(fā)）等。35 從綜合提高熱利用效率的觀點看，既保持熱泵制冰機能，又同時生產(chǎn)熱水，是較好的方法。另外，從環(huán)保角度考慮，利用絕熱膨脹等方法，用低壓空氣和水的新型制冰技術(shù)，也有待研究。還有，夏季氣輪發(fā)電機因吸氣冷卻而要求提高發(fā)電效率的冰蓄冷技術(shù)的研究，冰點溫度下生鮮食品的儲存等。不僅如此，還有空調(diào)領(lǐng)域以外的蓄冷、蓄熱技術(shù)的靈活應(yīng)用。以上技術(shù)的發(fā)展也需要傳熱學(xué)、空調(diào)制冷學(xué)和流體力學(xué)等領(lǐng)域的相應(yīng)基礎(chǔ)研究有所發(fā)展。例如，單成分水和多成分水的冰水混合漿的輸運管的結(jié)構(gòu)、流動性能，冰漿的融解性能和換熱特性等都是值得研究的課題。4 參考文獻1 Hideo Inaba, Kengo Takeya and Shigeru Nozu. Fundamental study on continuous i